(57)【要約】【課題】ニッケル基超合金からなるスキーラ付きガスタービン動翼の損耗部分に対して、溶接法によって同じニッケル基超合金からなる肉盛部を形成して補修する際に、ひずみ時効割れの発生を抑制する。【解決手段】スキーラの損傷部を切削除去した後、当該部分にニッケル基超合金から肉盛部を溶接によって形成する。次いで、肉盛部を、この肉盛部を構成するニッケル基超合金の融点ｍ℃の１／２以上の温度であって、融点以下の温度範囲に１５℃／分以上５００℃／分以下の昇温速度で加熱する。次いで、肉盛部に冷却ガスを吹き付け急冷し、その後、肉盛部に対して溶体化処理を行う。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニッケル基超合金からなるスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法であって、
前記スキーラの損傷部を切削除去するステップと、
前記スキーラの切削除去した部分において、ニッケル基超合金から肉盛部を溶接によって形成するステップと、
前記肉盛部を、この肉盛部を構成する前記ニッケル基超合金の融点をｍ℃としたとき、当該融点の１／２ｍ℃以上であって、前記融点以下の温度範囲に１５℃／分以上５００℃／分以下の昇温速度で加熱するステップと、
前記肉盛部に冷却ガスを吹き付け急冷するステップと、
前記肉盛部に対して溶体化処理を行うステップと、
を具えることを特徴とする、スキーラ付きガスタービン動翼の補修方法。
【請求項２】
前記肉盛部の加熱は、電気炉を用いた熱輻射によって行うことを特徴とする、請求項１に記載のスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法。
【請求項３】
前記肉盛部の加熱は、高周波コイルを用いた誘導加熱によって行うことを特徴とする、請求項１に記載のスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法。
【請求項４】
前記肉盛部の加熱は、レーザを用いたレーザ光照射によって行うことを特徴とする、請求項１に記載のスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法。
【請求項５】
前記肉盛部の加熱は、ランプを用いた光照射によって行うことを特徴とする、請求項１に記載のスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法。
【請求項６】
前記肉盛部の加熱は、前記肉盛部上に追加の肉盛部を溶接によって形成する際の、当該溶接時に発生する熱を用いて行うことを特徴とする、請求項１に記載のスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法。
【請求項７】
前記肉盛部の形成後であって前記肉盛部の加熱前において、前記肉盛部に対してピーニング処理を行うステップを具えることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載のスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スキーラ付きガスタービン動翼の補修方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ジェットエンジンや発電用ガスタービン等に用いられるタービン動翼の先端部には、ケーシングと接触したときのケーシングの摩耗低減及び燃焼ガスの漏洩防止を目的として、外方に隆起した縁部分を設ける場合がある。このような縁部分は一般にスキーラと呼ばれ、このようなスキーラを有するガスタービン動翼はスキーラ付きガスタービン動翼と呼ばれる。
【０００３】
ガスタービンはガスの燃焼温度の高温化により、ガスの使用効率の向上を図ることができる。そのため、１９９０年代は翼入口ガス温度が１１００℃のものが主流であったが、２０００年代に入り１３００℃、１５００℃の機種が開発されてきている。したがって、ガスタービン動翼の先端に備え付けられたスキーラは、このような燃焼ガスに晒されることになり、高温酸化やエロージョンなどの損耗を受けやすい。
【０００４】
従来、上記スキーラにおいて上述のような損耗が生じると、当該箇所に溶接によって肉盛部を形成し補修していた。しかしながら、ガスタービン翼材として使用されているニッケル基超合金は、ニッケルマトリックス中にγ’相と呼ばれるＮｉ３Ａｌ相を析出させて強化した析出強化型のニッケル基超合金が用いられており、溶接は非常に困難である。
【０００５】
すなわち、溶接時に高温で膨張していた上記ニッケル基超合金からなる肉盛部が、冷却時に収縮することによって基材（スキーラ）と肉盛部との間に残留応力が生じ、溶接割れが生じるようになる。また、上記肉盛部は、後に溶体化処理等が行われることにより、上記残留応力に起因して、比較的強度の低い粒界部に変形が集中しひずみ時効割れと呼ばれる溶接割れが生ずる問題があった。
【０００６】
近年では、このような溶接割れを抑制するため、航空機用ガスタービンを中心にレーザ肉盛溶接など、従来のＴＩＧ溶接に比較して入熱の少ない溶接手法による補修技術の開発が行われてきている。このような手法によれば、肉盛部を形成する際の溶接割れは大分抑制できるものの、溶体化熱処理を行なうと溶接残留応力のためと考えられるひずみ時効割れが生じるなどの問題があった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】溶接学会編「溶接・接合技術便覧」産報出版  197頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、ニッケル基超合金からなるスキーラ付きガスタービン動翼の損耗部分に対して、溶接法によって同じニッケル基超合金からなる肉盛部を形成して補修する際に、ひずみ時効割れの発生を抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様は、ニッケル基超合金からなるスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法であって、前記スキーラの損傷部を切削除去するステップと、前記スキーラの切削除去した部分において、ニッケル基超合金から肉盛部を溶接によって形成するステップと、前記肉盛部を、この肉盛部を構成する前記ニッケル基超合金の融点をｍ℃としたとき、当該融点の１／２ｍ℃以上であって、前記融点以下の温度範囲に１５℃／分以上５００℃／分以下の昇温速度で加熱するステップと、前記肉盛部に冷却ガスを吹き付け急冷するステップと、前記肉盛部に対して溶体化処理を行うステップと、を具えることを特徴とする、スキーラ付きガスタービン動翼の補修方法に関する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ニッケル基超合金からなるスキーラ付きガスタービン動翼の損耗部分に対して、溶接法によって同じニッケル基超合金からなる肉盛部を形成して補修する際に、ひずみ時効割れの発生を抑制するができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態におけるスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法を説明するための斜視図である。
【図２】第１の実施形態におけるスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法を説明するための図１のＩ−Ｉ断面図である。
【図３】第１の実施形態におけるスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法を説明するための斜視図である。
【図４】第１の実施形態におけるスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法を説明するための図３のＩ−Ｉ断面図である。
【図５】第１の実施形態におけるスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法を説明するための斜視図である。
【図６】第１の実施形態におけるスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法を説明するための図５のＩ−Ｉ断面図である。
【図７】第２の実施形態におけるスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法を説明するための断面図である。
【図８】第３の実施形態におけるスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法を説明するための概略斜視図である。
【図９】第４の実施形態におけるスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法を説明するための概略斜視図である。
【図１０】第５の実施形態におけるスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１の実施形態）
図１〜図６は、本実施形態におけるスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法を説明するための工程図である。なお、図１，図３及び図５は、ガスタービン動翼の先端のスキーラを含む領域を拡大して示す斜視図であり、図２，図４及び図６は、それぞれ図１，図３及び図５におけるＩ−Ｉ断面図である。
【００１３】
最初に、図１及び図２に示すように、ガスタービン動翼１１の先端部に形成されたスキーラ１２の、高温燃焼ガスとの接触による酸化やエロージョン等によって生じた損耗部１２Ａをグラインダーなどを使用して切削除去し、図３及び図４に示すように平坦化する。
【００１４】
次いで、平坦化後のスキーラ１２上に、一層の厚さが約０．８ｍｍとなるように粉末肉盛溶接を行う。粉末肉盛溶接の条件として、基材であるスキーラ１２と同等組成の粉末であるPlaxair社製NI-417（Ｃｒ：１４質量％、Ｃｏ：９質量％、Ａｌ：３質量％、Ｔｉ：４．９質量％、Ｔａ：３質量％、Ｗ：３．７質量％、Ｍｏ：１．５質量％、Ｎｉ：６０．９質量％；、平均粒子径９５μｍ）、及び融点約１３００℃を使用し、例えば、ＹＡＧレーザにてレーザ出力を４００Ｗ、波形をＣＷ、溶接速度を１５０ｍｍ/分、粉末供給速度を２．５ｇ/分とし、上記粉末肉盛溶接を行う。
【００１５】
なお、ＹＡＧレーザの代わりにファイバーレーザでも問題なく同一出力にて溶接することは可能である。また、例えば３００Ｗ〜５００Ｗの範囲内でレーザ出力の調整を行なえば、半導体レーザ、ＣＯ２レーザを用いても問題なく溶接することが可能である。
【００１６】
以上のような条件で５層の粉末肉盛溶接を行い、スキーラ１２上に肉盛部１４を形成する（図５及び図６参照）。次いで、図５及び図６に示すスキーラ付きガスタービン動翼１１を図示しない小型電気炉内に入れ、好ましくはアルゴンガス中にて上記融点の１／２以上融点以下、より好ましくは約９００〜１０００℃の温度範囲まで１５℃/分以上、好ましくは２０℃／分以上の昇温速度で加熱し、例えば６０分間〜１２０分間保持した後、冷却ガスとしてのアルゴンガスを吹き付け室温まで急速に冷却する。なお、この際の降温速度は、約１００℃／分程度である。その後、上記温度範囲、例えば約１１２０℃で１時間の溶体化処理を行う。
【００１７】
なお、上記昇温速度は５００℃／分以下であることが必要であり、好ましくは５０℃／分以下であることが必要である。昇温速度が５００℃／分を超えて大きくなると、一般の電気炉、誘導加熱炉ではオーバーシュートを起こし被溶接物の局部溶融温度を超え、肉盛部１４が部分的に溶融してしまい、スキーラ１２を所望の形態となるようにする補修することが困難になる。
【００１８】
本実施形態においては、スキーラ１２付きガスタービン動翼１１のスキーラ１２を補修するに際して、上述のように基材（スキーラ１２）と同組成のニッケル基超合金からなる肉盛部１４を形成した後、肉盛部１４をその合金の融点１３００℃の１／２の温度から融点までの温度範囲に１５℃／分以上５００℃／分以下の昇温速度で急速に加熱し、上記温度範囲に所定時間保持した後、冷却ガスを吹き付けて室温にまで急冷するようにしている。
【００１９】
上述した温度範囲は、肉盛部１４内にγ’相が生成しない温度範囲である。また、上記昇温速度及び冷却に伴う降温速度は、肉盛部１４内にその合金組成に起因してγ’相が析出する温度範囲であっても、γ’相の析出速度よりも十分に大きい。したがって、肉盛部１４に対する上述した加熱操作の過程において、肉盛部１４内にはγ’相が生成されない。この結果、肉盛部１４の強度増大による溶接部境界（スキーラ１２と肉盛部１４との境界）で溶接残留応力の緩和が集中して起こることがないので、後の溶体化処理において、上記溶接部境界を起点としてひずみ時効割れが生じるのを抑制することができる。
【００２０】
なお、上記においては、ニッケル基超合金としてPlaxair社製NI-417を用いたが、本実施形態は、インコネルやハステロイなどのその他汎用のニッケル超合金に対しても適用することができる。
【００２１】
（第２の実施形態）
図７は、本実施形態のスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法を説明するための工程図である。本実施形態において、肉盛部１４の形成までは、第１の実施形態の図１〜図６に示す工程に基づいて実施する。その後、図７に示すように、肉盛部１４を、小型電気炉内に配置する代わりに高周波コイル２１内に配置し、このコイル２１に例えば１５０ｋＨｚ〜４００ｋＨｚの高周波を印加することにより、肉盛部１４を誘導加熱する。
【００２２】
この場合も、１５℃/分以上、好ましくは２０℃／分以上であり、さらに５００℃／分以下、好ましくは３００℃／分以下の昇温速度で加熱し、例えば６０分間〜１２０分間保持した後、冷却ガスとしてのアルゴンガスを吹き付け室温まで急速に冷却する。なお、この際の降温速度は、約１００℃／分程度である。その後、上記温度範囲、例えば約１１２０℃で１時間の溶体化処理を行う。
【００２３】
本実施形態においては、スキーラ１２付きガスタービン動翼１１のスキーラ１２を補修するに際して、上述のように基材（スキーラ１２）と同組成のニッケル基超合金からなる肉盛部１４を形成した後、肉盛部１４をその合金の融点約１３００℃の１／２の温度から融点までの温度範囲に１５℃／分以上５００℃／分以下の昇温速度で急速に加熱し、上記温度範囲に所定時間保持した後、冷却ガスを吹き付けて室温にまで急冷するようにしている。
【００２４】
上述した温度範囲は、肉盛部１４内にγ’相が生成しない温度範囲であって、上記昇温速度及び冷却に伴う降温速度は、肉盛部１４内にその合金組成に起因してγ’相が析出する温度範囲であっても、γ’相の析出速度よりも十分に大きい。したがって、肉盛部１４に対する上述した加熱操作の過程において、肉盛部１４内にはγ’相が生成されない。この結果、肉盛部１４の強度増大による溶接部境界（スキーラ１２と肉盛部１４との境界）で溶接残留応力の緩和が集中して起こることがないので、後の溶体化処理において、上記溶接部境界を起点としてひずみ時効割れが生じるのを抑制することができる。
【００２５】
（第３の実施形態）
図８は、本実施形態のスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法を説明するための工程図である。本実施形態においても、肉盛部１４の形成までは、第１の実施形態の図１〜図６に示す工程に基づいて実施する。その後、図８に示すように、肉盛部１４を、小型電気炉内に配置する代わりにハロゲンランプ２２を用い、このハロゲンランプ２２から発せられた光を放物面鏡２３によって、肉盛部１４と同程度の光束幅となるようにする。
【００２６】
この場合も、例えば、ハロゲンランプ２２の出力を１０００Ｗ／ｃｍ２〜２０００Ｗ／ｃｍ２とすることにより、１５℃/分以上、好ましくは２０℃／分以上であり、さらには５００℃／分以下、好ましくは５０℃／分以下の昇温速度で加熱し、冷却ガスとしてのアルゴンガスを吹き付け室温まで急速に冷却する。なお、この際の降温速度は、約１００℃／分程度である。その後、上記温度範囲、例えば約１１２０℃で１時間の溶体化処理を行う。
【００２７】
本実施形態においても、スキーラ１２付きガスタービン動翼１１のスキーラ１２を補修するに際して、上述のように基材（スキーラ１２）と同組成のニッケル基超合金からなる肉盛部１４を形成した後、肉盛部１４をその合金の融点約１３００℃の１／２の温度から融点までの温度範囲に１５℃／分以上５００℃／分以下の昇温速度で急速に加熱し、上記温度範囲に所定時間保持した後、冷却ガスを吹き付けて室温にまで急冷するようにしている。
【００２８】
上述した温度範囲は、肉盛部１４内にγ’相が生成しない温度範囲であって、上記昇温速度及び冷却に伴う降温速度は、肉盛部１４内にその合金組成に起因してγ’相が析出する温度範囲であっても、γ’相の析出速度よりも十分に大きい。したがって、肉盛部１４に対する上述した加熱操作の過程において、肉盛部１４内にはγ’相が生成されない。この結果、肉盛部１４の強度増大による溶接部境界（スキーラ１２と肉盛部１４との境界）で溶接残留応力の緩和が集中して起こることがないので、後の溶体化処理において、上記溶接部境界を起点としてひずみ時効割れが生じるのを抑制することができる。
【００２９】
（第４の実施形態）
図９は、本実施形態のスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法を説明するための工程図である。本実施形態においても、肉盛部１４の形成までは、第１の実施形態の図１〜図６に示す工程に基づいて実施する。その後、図９に示すように、肉盛部１４を、小型電気炉内に配置する代わりにレーザ２５を用い、このレーザ２５から発せられたレーザ光をそのビーム径が肉盛部１４と同程度の幅となるようにする。
【００３０】
レーザ２５としてＹＡＧレーザを用いた場合、例えば、その出力を１０００Ｗ／ｃｍ２〜２０００Ｗ／ｃｍ２とすることにより、１５℃/分以上、好ましくは２０℃／分以上であり、さらには５００℃／分以下、好ましくは３００℃／分以下の昇温速度で加熱し、冷却ガスとしてのアルゴンガスを吹き付け室温まで急速に冷却する。なお、この際の降温速度は、約１００℃／分程度である。その後、上記温度範囲、例えば約１１２０℃で１時間の溶体化処理を行う。
【００３１】
本実施形態においても、スキーラ１２付きガスタービン動翼１１のスキーラ１２を補修するに際して、上述のように基材（スキーラ１２）と同組成のニッケル基超合金からなる肉盛部１４を形成した後、肉盛部１４をその合金の融点約１３００℃の１／２の温度から融点までの温度範囲に１５℃／分以上５００℃／分以下の昇温速度で急速に加熱し、上記温度範囲に所定時間保持した後、冷却ガスを吹き付けて室温にまで急冷するようにしている。
【００３２】
上述した温度範囲は、肉盛部１４内にγ’相が生成しない温度範囲であって、上記昇温速度及び冷却に伴う降温速度は、肉盛部１４内にその合金組成に起因してγ’相が析出する温度範囲であっても、γ’相の析出速度よりも十分に大きい。したがって、肉盛部１４に対する上述した加熱操作の過程において、肉盛部１４内にはγ’相が生成されない。この結果、肉盛部１４の強度増大による溶接部境界（スキーラ１２と肉盛部１４との境界）で溶接残留応力の緩和が集中して起こることがないので、後の溶体化処理において、上記溶接部境界を起点としてひずみ時効割れが生じるのを抑制することができる。
【００３３】
（第５の実施形態）
図１０は、本実施形態のスキーラ付きガスタービン動翼の補修方法を説明するための工程図である。本実施形態においては、最初に、第１の実施形態の図１〜図６に示す工程に基づいて、第１の実施形態で形成した肉盛部１４よりも厚さの小さい第１の肉盛部３４を形成する（図１０参照）。
【００３４】
第１の肉盛部３４を形成する際の条件は、例えば、ＹＡＧレーザにてレーザ出力を４００Ｗ、波形をＣＷ、溶接速度を１５０ｍｍ/分、粉末供給速度を１．０ｇ/分とし、一層の厚さが約０．２ｍｍ〜０．３ｍｍとなるようにする。このような条件で３パスの粉末肉盛溶接を行い、スキーラ１２上に第１の肉盛部３４を形成する。
【００３５】
次いで、第１の肉盛部３４上に、同様の条件で肉盛溶接を行って第２の肉盛部３５を形成する。第２の肉盛部３５は、第１の肉盛部３４との合計厚さが４ｍｍとなるように形成する。すなわち、第２の肉盛部３５の厚さが３ｍｍとなるように３パス３層の粉末肉盛溶接を行う（図１０参照）。
【００３６】
肉盛溶接の際の肉盛部直下の温度は融点近傍であり、９００℃〜１３００℃の温度範囲となるので、第２の肉盛部３５を形成する際に、第１の肉盛部３４は、１５℃／分以上、好ましくは２０℃／分以上であり、さらには５００℃／分以下、好ましくは５０℃／分以下の昇温速度で、基材（スキーラ１２）と同組成のニッケル基超合金の融点１３００℃の１／２の温度から融点までの温度範囲に急速に加熱されて、例えば冷却ガスとしてのアルゴンガスを吹き付け５００℃程度まで急速に冷却する。なお、この際の降温速度は、約１００℃／分程度である。
【００３７】
上述した温度範囲は、第１の肉盛部３４内にγ’相が生成しない温度範囲であって、上記昇温速度及び冷却に伴う降温速度は、第１の肉盛部３４内にその合金組成に起因してγ’相が析出する温度範囲であっても、γ’相の析出速度よりも十分に大きい。したがって、第１の肉盛部３４に対する上述した加熱操作の過程において、第１の肉盛部３４内にはγ’相が生成されない。
【００３８】
この結果、第１の肉盛部３４の強度増大による溶接部境界（スキーラ１２と第１の肉盛部３４との境界）で溶接残留応力の緩和が集中して起こることがないので、後の溶体化処理において、上記溶接部境界を起点としてひずみ時効割れが生じるのを抑制することができる。
【００３９】
なお、本実施形態では、第２の肉盛部３５に対しては上述のような急速加熱及び急速冷却を行わないので、内部に溶接残留応力が残留するが、第２の肉盛部３５はスキーラ１２に直接接しないので、上記溶接部境界で溶接残留応力の緩和が集中して生じることがない。すなわち、後の溶体化処理においてもひずみ時効割れの原因とはならない。
【００４０】
（第６の実施形態）
本実施形態では、特に図示しないものの、上記第１の実施形態から第５の実施形態において、肉盛部１４（２４）を急速加熱及び急速冷却する前に、肉盛部１４（２４）に対してピーニング処理を行うことができる。この場合、肉盛部１４（２４）の溶接割れの原因となる残留応力を予め低減しておくことができるので、後の急速加熱及び急速冷却を経た後の、溶接部境界（スキーラ１２と肉盛部１４（２４）との境界）での溶接残留応力の緩和の度合いを低減させることができる。したがって、後の溶体化処理におけるひずみ時効割れをより効果的に抑制することができる。
【００４１】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として掲示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４２】
１１  ガスタービン動翼
１２  スキーラ
１４  肉盛部
２１  高周波コイル
２２  ハロゲンランプ
２３  放物面鏡
２５  レーザ
３４  第１の肉盛部
３５  第２の肉盛部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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